交直流伺服技術的比較
伺服系統在機電設備中具有重要的地位，高性能的伺服系統可以提供靈活、方便、準確、快速的驅動。隨著技術的進步和整個工業的不斷發展，拖動系統的發展趨勢是用交流伺服驅動取代傳統的液壓、直流、步進和AC變頻調速驅動，以便使系統性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產率、更好的可靠性和更長的壽命。
一、伺服系統的發展過程
伺服系統的發展經歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統根據所驅動的電機類型分為直流（DC）和交流（AC）伺服系統。20世紀50年代，無刷電機和直流電機實現了產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用，20世紀70年代則是直流伺服電機的應用最廣泛的時代。但直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。
從20世紀70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術——交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性體現出交流伺服系統的優越性。
交流伺服系統按其采用的驅動電動機的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統和感應式異步（IM型）電動機交流伺服系統。其中，永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。感應式異步電動機交流伺服系統由于感應式異步電動機結構堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發展前景，代表了將來伺服技術的方向。但由于該系統采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統來說控制比較復雜，而且電機低速運行時還存在著效率低、發熱嚴重等有待克服的技術問題，目前并未得到普遍應用。
系統的執行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進一步提高系統的動態和靜態性能，可采用位置和速度閉環控制。三相交流電流的跟隨控制能有效提高逆變器的電流響應速度，并且能限制暫態電流，從而有利于IPM的安全工作。速度和位置環可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調節器若為比例形式，三個交流電流環都用足夠大的比例調節器進行控制，其比例系數應該在保證系統不產生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調節，具有結構簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優點。
從伺服驅動產品當前的應用來看，直流伺服產品正逐漸減少，交流伺服產品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產品已經成為工廠自動化等各個領域中的主流產品。
二、伺服驅動產品概況
由于伺服驅動產品在工業生產中的應用十分廣泛，市場上的相關產品種類很多，從普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制到運動控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車間和廠級監控工作站等一應俱全。
（一）伺服電機
隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機大都采用了最新的Nd2Fe14b1（銣鐵硼）材料，該材料的剩余磁密、矯頑力和最大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機結構設計，大大地提高了電機的性能，同時又縮小了電機的外形尺寸。新一代的伺服電機大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號線數量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對值型兩種類型，通信速率達4M/s，通信周期為62.5μs，數據長度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉生成100萬個脈沖，最高轉速達6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。伺服電機按照容量可以分為超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10W到20W，小容量型的功率范圍為30W～750W，中容量型的功率范圍為300W～15KW，大容量型的功率范圍為22KW～55KW。伺服電機的供電電壓范圍從100V～400V（單三相）。
（二）伺服控制單元
傳統的模擬控制雖然具有連續性好、響應速度快及成本低的優點，但也有難以克服的缺點，如系統調試困難，容易受到環境溫度變化的影響而產生漂移，難以實現柔性化設計，缺乏實現復雜計算的能力，無法實現現代化控制理論指導下的控制算法等。所以現代伺服控制均采用全數字化結構，伺服控制系統的主要理論也采用了現代矢量控制思想，它實現了電流向量的幅值控制和相位控制。為了提高產品的性能，新一代的伺服控制器采用了多種新技術、新工藝，主要體現在以下幾個方面：
1．在電流環路中采用了d-q軸變換電流單元，在新的控制方式中，主CPU的運算量得以減少，通過硬件來進行電流環控制，即將控制算法固化在LSI專用硬件環路中。通過采用高速的d-q軸變換電流單元，使電流環的轉矩控制精度有了進一步的提高，實現了在穩態運行及瞬態運行時均能保持良好的性能。
2．采用了脈沖編碼器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定時間縮短為原來的三分之一。
3．速度控制環采用速度實時檢測控制算法，是電機的低速性能得到進一步提高，速度波動和轉矩波動降到最低。采用在線自動鎖定功能，使伺服系統的調試時間縮短，操作更加簡化。
4．采用主回路與控制回路進行電氣隔離的結構，使操作及故障檢測更加方便安全，供電電源電壓從100V擴展到400V（單相/三相）。
5．伺服控制一般均采用從電機軸端的位置編碼器采集位置信號進行反饋，在受控執行機械部分沒有反饋采樣信號，即半閉環的控制方式。目前的新產品則采用全閉環的控制方式，使機械加工誤差、齒輪間隙、結構受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過計算完成修正。
6．用RICS（精簡指令計算機系統）技術，使CPU的數據處理能力由8位、16位提高到32位，微處理器的主頻提高到百兆以上。
（三）上位控制
隨著工業機械化設備對高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護性能要求的提高，上位機控制群得以廣泛應用。從上層的可編程控制器（PLC）、運動控制器、機床CNC控制器，可一直連到底層的通用輸入/輸出（I/O）控制單元和視覺傳感系統。編程語言有梯形圖、NC語言、SFC語言、運動控制語言等，均可按照用戶要求靈活配置。系統可控制軸數從單軸到可支持多達44軸，控制器可以連接從模擬信號到網絡信號的各種信號類型，可廣泛應用于半導體制造設備、加工機械、搬運機械、卷揚機械等，具有很高的性能價格比。
三、伺服系統的發展趨勢
從前面的討論可以看出，數字化交流伺服系統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求也越來越高?？偟膩碚f，伺服系統的發展趨勢可以概括為以下幾個方面：
（一）交流化
伺服技術將繼續迅速地由DC伺服系統轉向AC伺服系統。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產品都是AC伺服系統。在工業發達的國家，AC伺服電機的市場占有率已超過80%，在國內生產AC伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步超過生產DC伺服電機的廠家。可以預見，不久的將來，除了在某些微型電機領域之外，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。
（二）全數字化
采用新型高速微處理器和專用數字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面取代模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的先進方法成為可能。
（三）高度集成化
新的伺服系統產品改變了將伺服系統劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環調節系統，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環調節系統。
（四）智能化
智能化是當前一切工業控制設備的流行趨勢，伺服驅動系統作為一種高級的工業控制裝置當然也不例外。最新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，他們的智能化特點表現在以下幾個方面1）具有參數記憶功能。系統的所有參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置，保存在伺服單元內部，通過通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改；（2）具有故障自診斷與分析功能。無論什么時候，只要系統出現故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶面板清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調試的復雜性；（3）具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環調節系統的參數整定是保證系統性能指標的重要環節，帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行自動將系統的參數整定出來，并自動實現其最優化。
（五）模塊化和網絡化
在國外，以工業局域網技術為基礎的工廠自動化（Factory Automation簡稱FA）工程技術在最近十年來得到了長足的發展，并顯示出良好的發展勢頭。為適應這一發展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口（如RS—232C接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著增強了伺服單元與其它控制設備的互聯能力，從而與CNC系統間的連接也因此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統。
綜上所述，伺服系統將向兩個方向發展：一個是滿足一般工業應用的要求，對性能指標要求不是很高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等；另一個就是代表著伺服系統發展水平的主導產品——伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能化、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的要求。
一、伺服系統的發展過程
伺服系統的發展經歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統根據所驅動的電機類型分為直流（DC）和交流（AC）伺服系統。20世紀50年代，無刷電機和直流電機實現了產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用，20世紀70年代則是直流伺服電機的應用最廣泛的時代。但直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。
從20世紀70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術——交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性體現出交流伺服系統的優越性。
交流伺服系統按其采用的驅動電動機的類型來分，主要有兩大類：永磁同步（SM型）電動機交流伺服系統和感應式異步（IM型）電動機交流伺服系統。其中，永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。感應式異步電動機交流伺服系統由于感應式異步電動機結構堅固，制造容易，價格低廉，因而具有很好的發展前景，代表了將來伺服技術的方向。但由于該系統采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統來說控制比較復雜，而且電機低速運行時還存在著效率低、發熱嚴重等有待克服的技術問題，目前并未得到普遍應用。
系統的執行元件一般為普通三相鼠籠型異步電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM。為進一步提高系統的動態和靜態性能，可采用位置和速度閉環控制。三相交流電流的跟隨控制能有效提高逆變器的電流響應速度，并且能限制暫態電流，從而有利于IPM的安全工作。速度和位置環可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調節器若為比例形式，三個交流電流環都用足夠大的比例調節器進行控制，其比例系數應該在保證系統不產生振蕩的前提下盡量選大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現電壓型逆變器的快速電流控制。電流用比例調節，具有結構簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機起制動電流快速可靠等諸多優點。
從伺服驅動產品當前的應用來看，直流伺服產品正逐漸減少，交流伺服產品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產品已經成為工廠自動化等各個領域中的主流產品。
二、伺服驅動產品概況
由于伺服驅動產品在工業生產中的應用十分廣泛，市場上的相關產品種類很多，從普通電機、變頻電機、伺服電機、變頻器、伺服控制到運動控制器、單軸控制器、多軸控制器、可編程控制器、上位控制單元乃至車間和廠級監控工作站等一應俱全。
（一）伺服電機
隨著永磁材料制造工藝的不斷完善，新一代的伺服電機大都采用了最新的Nd2Fe14b1（銣鐵硼）材料，該材料的剩余磁密、矯頑力和最大磁能積均好于其他永磁材料，再加上合理的磁極、磁路及電機結構設計，大大地提高了電機的性能，同時又縮小了電機的外形尺寸。新一代的伺服電機大都采用了新型的位置編碼器，這種位置編碼器的信號線數量從9根減少到5根，并支持增量型和絕對值型兩種類型，通信速率達4M/s，通信周期為62.5μs，數據長度為12位，編碼器分辨率為20bit/rev，即每轉生成100萬個脈沖，最高轉速達6000r/min，編碼器電源電流僅為16μA。伺服電機按照容量可以分為超小型（MINI型）、小容量型、中容量型和大容量型。超小容量型的功率范圍為10W到20W，小容量型的功率范圍為30W～750W，中容量型的功率范圍為300W～15KW，大容量型的功率范圍為22KW～55KW。伺服電機的供電電壓范圍從100V～400V（單三相）。
（二）伺服控制單元
傳統的模擬控制雖然具有連續性好、響應速度快及成本低的優點，但也有難以克服的缺點，如系統調試困難，容易受到環境溫度變化的影響而產生漂移，難以實現柔性化設計，缺乏實現復雜計算的能力，無法實現現代化控制理論指導下的控制算法等。所以現代伺服控制均采用全數字化結構，伺服控制系統的主要理論也采用了現代矢量控制思想，它實現了電流向量的幅值控制和相位控制。為了提高產品的性能，新一代的伺服控制器采用了多種新技術、新工藝，主要體現在以下幾個方面：
1．在電流環路中采用了d-q軸變換電流單元，在新的控制方式中，主CPU的運算量得以減少，通過硬件來進行電流環控制，即將控制算法固化在LSI專用硬件環路中。通過采用高速的d-q軸變換電流單元，使電流環的轉矩控制精度有了進一步的提高，實現了在穩態運行及瞬態運行時均能保持良好的性能。
2．采用了脈沖編碼器倍增功能，新的控制算法使位置控制的整定時間縮短為原來的三分之一。
3．速度控制環采用速度實時檢測控制算法，是電機的低速性能得到進一步提高，速度波動和轉矩波動降到最低。采用在線自動鎖定功能，使伺服系統的調試時間縮短，操作更加簡化。
4．采用主回路與控制回路進行電氣隔離的結構，使操作及故障檢測更加方便安全，供電電源電壓從100V擴展到400V（單相/三相）。
5．伺服控制一般均采用從電機軸端的位置編碼器采集位置信號進行反饋，在受控執行機械部分沒有反饋采樣信號，即半閉環的控制方式。目前的新產品則采用全閉環的控制方式，使機械加工誤差、齒輪間隙、結構受力彈性變形等誤差所造成的影響在伺服控制器中通過計算完成修正。
6．用RICS（精簡指令計算機系統）技術，使CPU的數據處理能力由8位、16位提高到32位，微處理器的主頻提高到百兆以上。
（三）上位控制
隨著工業機械化設備對高速化、高精度化和小型化以及多品種小批量化、高可靠性、免維護性能要求的提高，上位機控制群得以廣泛應用。從上層的可編程控制器（PLC）、運動控制器、機床CNC控制器，可一直連到底層的通用輸入/輸出（I/O）控制單元和視覺傳感系統。編程語言有梯形圖、NC語言、SFC語言、運動控制語言等，均可按照用戶要求靈活配置。系統可控制軸數從單軸到可支持多達44軸，控制器可以連接從模擬信號到網絡信號的各種信號類型，可廣泛應用于半導體制造設備、加工機械、搬運機械、卷揚機械等，具有很高的性能價格比。
三、伺服系統的發展趨勢
從前面的討論可以看出，數字化交流伺服系統的應用越來越廣，用戶對伺服驅動技術的要求也越來越高?？偟膩碚f，伺服系統的發展趨勢可以概括為以下幾個方面：
（一）交流化
伺服技術將繼續迅速地由DC伺服系統轉向AC伺服系統。從目前國際市場的情況看，幾乎所有的新產品都是AC伺服系統。在工業發達的國家，AC伺服電機的市場占有率已超過80%，在國內生產AC伺服電機的廠家也越來越多，正在逐步超過生產DC伺服電機的廠家。可以預見，不久的將來，除了在某些微型電機領域之外，AC伺服電機將完全取代DC伺服電機。
（二）全數字化
采用新型高速微處理器和專用數字信號處理機（DSP）的伺服控制單元將全面取代模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實現完全數字化的伺服系統。全數字化的實現，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使在伺服系統中應用現代控制理論的先進方法成為可能。
（三）高度集成化
新的伺服系統產品改變了將伺服系統劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設置系統參數，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環調節系統，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構成高精度的全閉環調節系統。
（四）智能化
智能化是當前一切工業控制設備的流行趨勢，伺服驅動系統作為一種高級的工業控制裝置當然也不例外。最新數字化的伺服控制單元通常都設計為智能型產品，他們的智能化特點表現在以下幾個方面1）具有參數記憶功能。系統的所有參數都可以通過人機對話的方式由軟件來設置，保存在伺服單元內部，通過通信接口，這些參數甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改；（2）具有故障自診斷與分析功能。無論什么時候，只要系統出現故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶面板清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調試的復雜性；（3）具有參數自整定的功能。眾所周知，閉環調節系統的參數整定是保證系統性能指標的重要環節，帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運行自動將系統的參數整定出來，并自動實現其最優化。
（五）模塊化和網絡化
在國外，以工業局域網技術為基礎的工廠自動化（Factory Automation簡稱FA）工程技術在最近十年來得到了長足的發展，并顯示出良好的發展勢頭。為適應這一發展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行通信接口（如RS—232C接口等）和專用的局域網接口。這些接口的設置，顯著增強了伺服單元與其它控制設備的互聯能力，從而與CNC系統間的連接也因此變得十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數臺，甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成為整個數控系統。
綜上所述，伺服系統將向兩個方向發展：一個是滿足一般工業應用的要求，對性能指標要求不是很高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品，如變頻電機、變頻器等；另一個就是代表著伺服系統發展水平的主導產品——伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能化、網絡化的驅動控制，以滿足用戶較高的要求。
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